INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD TICOMÁN DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN AERONÁUTICA PRESENTA: ALEJANDRO ESPINOSA RUIZ ASESORES: M. EN C. JORGE SOANDOVAL LEZAMA ING. AQUILES ISRAEL CASILLAS PÉREZ ABRIL 2013
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Diseño Conceptual e Implementación Física del Control ...
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DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD TICOMÁN
DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA
UNA AERONAVE
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN AERONÁUTICA
PRESENTA: ALEJANDRO ESPINOSA RUIZ
ASESORES:
M. EN C. JORGE SOANDOVAL LEZAMA ING. AQUILES ISRAEL CASILLAS PÉREZ
ABRIL 2013
DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE
Dimensions: Length: 1.14 in (29.0 mm) Width: 0.46 in (11.7 mm) Height: 1.19 in (30.2 mm)
FIGURA 50. SE MUESTRA EL SERVOMOTOR POWER HD HD-1160A Y LAS CARACTERISTICAS A LAS QUE TRABAJA
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MOTOR
Un motor es la parte de una máquina capaz de transformar algún tipo de energía
(eléctrica, de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar
un trabajo. En los aviones este efecto es una fuerza que produce el movimiento.
Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un tipo de
máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de
un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se
debe, a que dicha combustión se produce dentro de la máquina en sí misma.
Motor de Aeromodelismo
El motor que escogimos para nuestro sistema es un SUPERTIGRE modelo G-34
Ringed, es un motor de combustión interna con los siguientes datos:
ESPECIFICACIONES
Numero de Stock SUPG0805
Desplazamiento 0.34 cu in (5.5cc)
Rango de RPM 2,500- 17,000
Salida 0.98 @ 16,500 RPM
Peso sin Silenciador 9.7 oz (275g)
Peso con Silenciador 12.8 oz (363g)
FIGURA 51. SE MUETRA EL MOTOR QUE UTILIZAREMOS PARA EL BANCO DE PRUEBAS Y DURANTE TODO EL TRABAJO.
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Con los datos del motor se obtiene la función de trasferencia que representa la
relación entre la Potencia del motor y las RPM a las que trabaja.
Además con estos mismos datos se puede realizar la grafica del comportamiento
del motor. Esta grafica es de tipo lineal. Se graficará la relación entre la potencia
del motor y las revoluciones a la que gira el motor, la suposición en este
documento sugiere que la potencia del motor es directamente proporcional a las
revoluciones a la que gira el eje del motor y se explica utilizando la ecuación de la
pendiente, utilizando el rango de operación del motor para calcular la misma:
m = es la pendiente
Y = es la posición en el eje y
X = es la posición en el eje x
Entonces despejando los datos obtenidos de las especificaciones del motor se
tendrán las coordenadas necesarias para desarrollar la gráfica del comportamiento
del motor y la pendiente que gobierna esta gráfica.
Los valores obtenidos de las coordenadas son:
El valor de la pendiente se obtiene al despejar la ecuación de la pendiente
mostrada anteriormente, dando como resultado:
Esto quiere decir que por cada RPM que aumenta el motor la potencia aumenta en
0.00007 HP.
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FIGURA 52. SE MUESTRA LA FUNCIÓN DE TRASFERENCIA TEÓRICA QUE EXPLICA EL COMPORTAMIENTO DEL MOTOR EN RELACION DE LAS REVOLUCIONES Y LA POTENCIA DEL MISMO.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
2500 16500
Po
ten
cia
(HP
)
RPM
COMPORTAMIENTO DEL MOTOR
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 80
MICROCONTROLADOR
Un microcontrolador es un circuito integrado que incluye en su interior las tres
unidades funcionales de una computadora: unidad central de
procesamiento, memoria y periféricos de entrada y salida.
FIGURA 53. EJEMPLOS DE DIFERENTES
MICROCONTROLADORES EXISTENTES EN EL MERCADO
Un microcontrolador es un dispositivo electrónico capaz de llevar a cabo procesos
lógicos. Estos procesos o acciones son programados en lenguaje ensamblador
por el usuario, y son introducidos en este a través de un programador.
Son diseñados para reducir el costo económico y el consumo de energía de un
sistema en particular. Por eso el tamaño de la unidad central de procesamiento, la
cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación.
Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes en nuestro
trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida, en general. Se pueden encontrar
controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en
los teléfonos, en los hornos microondas y los televisores de nuestro hogar. Pero la
invasión acaba de comenzar y el nacimiento del siglo XXI será testigo de la
conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarán la mayor
parte de los aparatos que fabricaremos y usamos los humanos.
Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de
aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su
fiabilidad y disminuir el consumo.
Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un
modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de
la masiva utilización de estos componentes.
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Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas
presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas,
frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de
arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no
estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de
sistemas en una nave espacial, etc.
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MICROCONTROLADOR ATMEL
Atmel es una compañía de semiconductores, fundada en 1984. Atmel sirve a los
mercados de la electrónica de consumo, comunicaciones, computadores, redes,
electrónica industrial, equipos médicos, automotriz, aeroespacial y militar. Es una
industria líder en sistemas seguros, especialmente en el mercado de las tarjetas
seguras.
Entre sus principales competidores se encuentra STMicroelectronics, Texas
Instruments, Freescale, Analog Devices y Microchip Technology.
La descripción específica de los registros y configuraciones involucradas en el
programa se encuentran en la hoja de datos del microcontrolador mientras que las
referencias de programación en lenguaje C y librerías específicas se encuentran
en la ayuda del software MikroC PRO for AVR
FIGURA 54. SE MUESTRA UN MICROCONTROLADOR ATMEL
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ATMEGA8535
Es un microcontrolador de alto rendimiento, de bajo consumo de energía que
combina 8KB de memoria flash programable y cuenta con un convertidor A/D. El
dispositivo funciona entre 4.5 y 5.5 volts.
Los parámetros del microcontrolador se muestran en la siguiente tabla.
Parámetros Valores Parámetros Valores
Flash (Kbytes) 8 ADC Speed (ksps) 15
Pin Count 44 Analog Comparators 1
Max. Operating Frequency 16 Resistive Touch Screen No
CPU 8-bit AVR DAC Channels 0
# of Touch Channels 16 DAC Resolution (bits) 0
Hardware QTouch Acquisition No Temp. Sensor No
Max I/O Pins 32 SRAM (Kbytes) 0.5
Ext Interrupts 3 EEPROM (Bytes) 512
Quadrature Decoder Channels 0 Self Program Memory Yes
A continuación se describirá cada terminal del microcontrolador
VCC - Pin de Suministro de Voltaje Digital.
GND - Tierra
Port A (PA7..PA0) - El puerto A sirve como entrada analógica del convertidor A/D.
EL puerto A también sirve como un puerto I/O bidireccional de 8 bits, si el
convertidor A/D no se utiliza.
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Port B (PB7..PB0) - El puerto B es un puerto I/O bidireccional de 8 bits con
elevadas resistencias internas (seleccionadas para cada bit).
Port C (PC7..PC0) - El puerto C es un puerto I/O bidireccional de 8 bits con
elevadas resistencias internas (seleccionadas para cada bit).
Port D (PD7..PD0) - El puerto D es un puerto I/O bidireccional de 8 bits con
elevadas resistencias internas (seleccionadas para cada bit).
RESET - Puerto de Reset. Un nivel bajo de este puerto durante más tiempo que
la duración mínima de un impulso generara un reseteo, incluso si el reloj no está
en funcionamiento.
XTAL1 - El puerto XTAIL1 sirve como entrada del oscilador inversor y entrada al
circuito de reloj interno.
XTAL2 - El puerto XTAIL2 sirve como salida del amplificador oscilador inversor.
AVCC - Es el puerto de suministro de voltaje para el Puerto A y el convertidor A/D.
Debe ser conectado externamente a VCC incluso si el ADC no se utiliza. Si el ADC
se utiliza, debe ser conectado a VCC a través a través de un filtro de paso bajo.
AREF - El puerto AREF es la referencia analógica para el convertidor A/D.
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PROGRAMACIÓN DE UN
MICROCONTROLADOR
La electrónica ha evolucionado mucho. Casi todo lo que hasta hace unos años se
hacía mediante un grupo (a veces muy numeroso) de circuitos integrados
conectados entre sí, hoy se puede realizar utilizando un microcontrolador y unos
pocos componentes adicionales.
El microcontrolador ejecuta el programa cargado en la memoria Flash. Esto se
denomina el código ejecutable y está compuesto por una serie de ceros y unos,
aparentemente sin significado. Dependiendo de la arquitectura del
microcontrolador, el código binario está compuesto por palabras de 12, 14 o 16
bits de anchura. Cada palabra se interpreta por la CPU como una instrucción a ser
ejecutada durante el funcionamiento del microcontrolador. Todas las instrucciones
que el microcontrolador puede reconocer y ejecutar se les denominan
colectivamente Conjunto de instrucciones. Como es más fácil trabajar con el
sistema de numeración hexadecimal, el código ejecutable se representa con
frecuencia como una serie de los números hexadecimales denominada código
Hex.
Como el proceso de escribir un código ejecutable era considerablemente arduo,
en consecuencia fue creado el primer lenguaje de programación denominado
ensamblador (ASM). Siguiendo la sintaxis básica del ensamblador, era más fácil
escribir y comprender el código. Las instrucciones en ensamblador consisten en
las abreviaturas con significado y a cada instrucción corresponde una localidad de
memoria. Un programa denominado ensamblador compila (traduce) las
instrucciones del lenguaje ensamblador a código máquina (código binario).
Lenguaje Ensamblador
Este programa compila instrucción a instrucción sin optimización. Como permite
controlar en detalle todos los procesos puestos en marcha dentro del chip, este
lenguaje de programación todavía sigue siendo popular.
A pesar de todos los lados buenos, el lenguaje ensamblador tiene algunas
desventajas:
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Incluso una sola operación en el programa escrito en ensamblador consiste
en muchas instrucciones, haciéndolo muy largo y difícil de manejar.
Cada tipo de microcontrolador tiene su propio conjunto de instrucciones que
un programador tiene que conocer para escribir un programa
Un programador tiene que conocer el hardware del microcontrolador para
escribir un programa
FIGURA 55. EL DIAGRAMA DE BLOQUES ILUSTRA EL PROCESO DE PROGRAMACIÓN
DE UN MICROCONTROLADOR.
Lenguaje de Alto Nivel
Los lenguajes de programación de alto nivel (Basic, Pascal, C etc.) fueron creados
con el propósito de superar las desventajas del ensamblador. En lenguajes de
programación de alto nivel varias instrucciones en ensamblador se sustituyen por
una sentencia. El programador ya no tiene que conocer el conjunto de
instrucciones o características del hardware del microcontrolador utilizado. Ya no
es posible conocer exactamente cómo se ejecuta cada sentencia, de todas formas
ya no importa. Aunque siempre se puede insertar en el programa una secuencia
escrita en ensamblador.
EDITOR SOFTWARE
PROGRAMADOR
HARDWARE
PROGRAMADOR
PIC
PROGRAMADO
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Lenguaje C
El lenguaje C dispone de todas las ventajas de un lenguaje de programación de
alto nivel (anteriormente descritas) y le permite realizar algunas operaciones tanto
sobre los bytes como sobre los bits (operaciones lógicas, desplazamiento etc.).
Las características de C pueden ser muy útiles al programar los
microcontroladores. Además, C está estandarizado (el estándar ANSI), es muy
portable, así que el mismo código se puede utilizar muchas veces en diferentes
proyectos. Lo que lo hace accesible para cualquiera que conozca este lenguaje sin
reparar en el propósito de uso del microcontrolador. C es un lenguaje compilado,
lo que significa que los archivos fuentes que contienen el código C se traducen a
lenguaje máquina por el compilador. Todas estas características hicieron al C uno
de los lenguajes de programación más populares.
FIGURA 56. DIAGRAMA DE BLOQUES QUE EXPICA EL PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL LENGUAJE EN C
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MikroC for AVR
Se va a presentar a los elementos principales del lenguaje mikroC desarrollado
por Mikroelektronika. Este lenguaje es muy similar al C estándar, no obstante en
determinados aspectos difiere del ANSI estándar en algunas características. El
término C se utilizará para referirse a las características comunes de los lenguajes
C y mikroC.
FIGURA 57. DIAGRAMA DE BLOQUES EXPLICANDO EL PRINCIPO DE OPERACIÓN DEL PROGRAMA MikroC for AVR
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BANCO DE PRUEBAS
Un banco de pruebas es una plataforma para experimentación de proyectos de
gran desarrollo. Los bancos de pruebas brindan una forma de comprobación
rigurosa, transparente y repetible de teorías científicas y otras nuevas tecnologías.
El término se usa en varias disciplinas para describir un ambiente de desarrollo
que está protegido de los riesgos de las pruebas en un ambiente de producción.
Es un método para probar un módulo particular en forma aislada.
Diseño del Banco de Pruebas
Se diseñara el banco de pruebas que satisfaga las necesidades del proyecto.
Como primer paso se deben considerar los componentes que van a ir montados
en el banco:
Motor de Aeromodelismo
Circuito de Control
Elevador
Y el material de construcción del banco de pruebas, en este caso particular se
propuso utilizar acero como materia prima de construcción ya que el banco de
prueba debe soportar una cantidad considerable de esfuerzos y vibraciones
generadas por el motor.
Después se diseñara por computadora un modelo que cumpla con las
características básicas para este trabajo.
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FIGURA 58. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA PRINCIPAL DEL BANCO DE PRUEBA DISEÑADO EN SOFTWARE EN CAD
Como siguiente paso se fabricará el marco utilizando solera de acero como se
propuso anteriormente.
PARED DE
FUEGO PUNTOS DE
ANCLAJE
EJE PARA
ESTABILIZADOR
ELECTRONICA
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FIGURA 59. ESTRUCTURA PRINCIPAL DEL BANCO DE PRUEBAS FABRICADO CON SOLERA DE ACERO
El siguiente paso es colocar los componentes que van a ir instalados en el banco
de pruebas. Los componentes que se van a instalar en el banco de prueba son los
siguientes:
Motor de Aeromodelismo (SUPERTIGRE modelo G-34 Ringed)
Placa con Circuito de Control
Servomotores (VIGOR VS-2 y Power HD HD-1160ª)
Sensor de Revoluciones (DN6851)
Empenaje de Acrílico
Sensor Angular (Potenciómetro)
Perillas de Entrada (Dos Potenciómetros)
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FIGURA 60. SE MUESTRA LA INSTALACION DE LOS COMPONENETES DEL BANCO DE PRUEBAS
Por último verificaremos el funcionamiento del banco de pruebas con todos sus
componentes, asegurando que los mecanismos trabajen adecuadamente (que no
haya interferencia entre los componentes ni en el movimiento que vayan a
realizar).
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FIGURA 61. SE MUESTRA EL BANCO DE PRUEBAS CON TODOS SUS COMPONENTES INSTALADOS DENTRO DEL MISMO Y PERFECTAMENTE FUNCIONAL (UNOS MOMENTOS ANTES DE PROBAR EL BANCO DE PRUEBAS EN EL LABORATORIO DE
ELECTRICA ELECTRONICA EN LA ESIME TICOMAN)
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CAPÍTULO V –DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA
DE CONTROL EN LAZO
ABIERTO
ENTRADA CONTROLADOR ACTUADOR SISTEMA
DINÁMICO SALIDA
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Definimos en nuestro objetivo que realizaremos un circuito encargado del control
del movimiento longitudinal de una aeronave. El cual consta del control del
movimiento de los elevadores de la aeronave y el control de la potencia del motor.
Como primer punto de la parte práctica de la tesis. Realizaremos el circuito
electrónico analógico que se encargará del movimiento del elevador. Después con
el mismo circuito controlaremos las revoluciones del motor.
Trazamos un diagrama de bloques elemental que represente nuestro sistema. El
cual nos muestra una idea de los procesos que intervienen y los componentes que
utilizaremos.
FIGURA 62. SE MUESTRA EL DIAGRAMA A BLOQUES DEL SISTEMA ENCARGADO DEL MOVIMEINTO DE LOS ELEVADORES DE LA
AERONAVE
FIGURA 63. SE MUESTRA EL DIAGRMA DE BLOQUES DEL SISTEMA ENCARGADO DE CONTROLAR LA POTENCIA DEL MOTOR
La unión de los sistemas de control del movimiento del elevador y la potencia del
motor forman el sistema de control longitudinal de la aeronave.
POTENCIÓMETRO PWM SERVOMOTOR
CAMBIO DE
LA POTENCIA
DEL MOTOR
SEÑAL
ELÉCTRICA
POTENCIÓMETRO PWM SERVOMOTOR
MOVIMIENTO
DEL
ELEVADOR
SEÑAL
ELÉCTRICA
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CIRCUITO ANALÓGICO
El primer punto es definir el circuito que se va a construir para obtener un PWM
adecuado al servomotor.
Circuito Analógico I
Se muestra en el siguiente diagrama un circuito básico de PWM con el cual
trataremos de realizar el movimiento de los servomotores.
FIGURA 64. DIAGRAMA PWM
0.1nF
5v
1kΩ
100kΩ
1N4148
1N4148
1
2
NE555
5
3 6
4 7 8
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 97
FIGURA 65. PWM EN OSCILOSCOPIO FIGURA 66. CIRCUITO FISICO PWM
Los resultados del PWM que proporciono este arreglo en cuanto a frecuencia de
operación son muy grandes para el funcionamiento de los servomotores.
La Frecuencia de Operación que obtuvimos variaba entre 120Hz y 140Hz, el doble
de lo que necesitamos para accionar nuestros servomotores.
Entonces para solucionar el problema que se tenía con la frecuencia de operación,
se empezara a variar los valores de resistencia y capacitancia hasta que nos diera
un valor adecuado para el funcionamiento de los servomotores.
Circuito Analógico II
Después de realizar varias pruebas se pudo obtener un valor de frecuencia
adecuado duplicando el valor del capacitor que se utilizó en el primer circuito. Esto
se logró colocando un capacitor del mismo valor en paralelo al primero, ya que
según la teoría este arreglo aumenta la capacitancia como si sumáramos la
capacitancia de cada componente.
Quedando así el siguiente diagrama:
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FIGURA 67. DIAGRAMA PWM
FIGURA 68. PWM EN OSCILOSCOPIO FIGURA 69. CIRCUITO FISICO PWM
Como se dijo anteriormente el valor de frecuencia se hizo óptimo para el
funcionamiento de los servomotores. La Frecuencia de Operación que obtuvimos
con este nuevo arreglo variaba entre 50Hz y 60Hz.
Ya con un valor de frecuencia perfecto, el siguiente paso fue acoplar los
servomotores al circuito que teníamos para probar su funcionamiento.
Es circuito resultante de adaptar el servomotor se muestra en las siguientes
figuras:
SEÑAL DE
PULSOS
0.1nF
5v
1kΩ
100kΩ
1N4148
1N4148
1
2
NE555
5
3 6
4 7 8
0.1nF
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 99
FIGURA 70. DIAGRAMA PWM CON UN SERVOMOTOR ACOPLADO AL SITEMA
FIGURA 71. CIRCUITO FISICO PWM CON UN SREVOMOTOR APLICADO AL SISTEMA
FIGURA 72. RUIDO MOSTRADO EN EL OSCILOSCOPIO DEL CIRCUITO MOSTRADO ARRIBA
Al probar el circuito que diseñamos nos percatamos que el servomotor cumplía
con el cometido principal de moverse dependiendo el valor del ciclo de trabajo,
variando este último girando el potenciómetro que tenemos en el circuito.
Entonces dependiendo de los grados que girábamos al potenciómetro el
servomotor también se movía en valor proporcional.
Lamentablemente se produjo mucho ruido o señal de interferencia por conectar el
servomotor de forma directa. Este ruido nos da un error considerable en el
movimiento del servomotor, así que desafortunadamente el circuito diseñado
tampoco sirve para las aplicaciones que se la darán en este trabajo.
SERVOMOTOR
0.2nF
5v
1kΩ
100kΩ
1N4148
1N4148
1
2
5
3 6
4 7 8
DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE
PRESENTA: Alejandro Espinosa 100
Nuevamente tendremos que rediseñar el circuito analógico para corregir el ruido
que se produce al conectar directamente al servomotor.
Circuito Analógico III
Para solucionar el nuevo dilema que tenemos, colocaremos un transistor entre el
circuito de control y el servomotor, con el objetivo de disminuir de manera
considerable el ruido que se produce y podamos despreciar este fenómeno.
FIGURA 73. SE MUESTRA EL CIRCUITO DEL PWM CAPAZ DE CONTROLAR LOS SERVOMOTORES
En este arreglo un transistor tiene la función de acoplar sin pérdidas el circuito de
control y el circuito de potencia del servomotor. EL transistor ayuda a reducir el
ruido del sistema.
SERVOMOTOR
SEÑAL DE
PULSOS
0.2nF
5v
1kΩ
100kΩ
1N4148
1N4148
1
1
2
2
NE555
NE555 5
5
3
3
6
6
4
4 7
7
8
8 1kΩ
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 101
FIGURA 74. SE MUESTRA EL CIRCUITO FISICO DEL PWM CON EL TRANSISTOR CONECTADO
DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE
102
CAPÍTULO VI – DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA
DE CONTROL POR
COMPUTADORA
ENTRADA CONTROLADOR ACTUADOR SISTEMA
DINÁMICO SALIDA
SENSOR
DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE
PRESENTA: Alejandro Espinosa 103
Después de haber logrado controlar el circuito exitosamente de lazo abierto
realizaremos el diseño del mismo sistema en lazo cerrado, utilizando un micro
controlador para simplificar y mejorar el circuito de control que tenemos para
realizar el control longitudinal de una aeronave.
El diagrama a bloques que utilizaremos en este caso será de lazo cerrado, esto
quiere decir que utilizaremos sensores para detectar la posición a la que se
encuentran los elevadores y para determinar la potencia del motor.
El diagrama de bloques para el control de todo el sistema longitudinal de la
aeronave será:
FIGURA 75. DIAGRAMA A BLOQUES DEL SISTEMA ENCARGADO DEL CONTROL LONGITUDINAL DE LA AERONAVE
Gracias al desarrollo del microcontrolador podemos tener un control automático de
este sistema en tiempo real.
SEÑAL
ELECTRICA MICROCONTROLADOR SERVOMOTOR
CONTROL
LONGITUDNAL
SENSOR DE POSICION
(POTENCIOMETRO)
SENSOR DE POSICION
(DE EFECTO HALL)
DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE
PRESENTA: Alejandro Espinosa 104
DEFINICIÓN DEL CIRCUITO
Primero debemos definir qué tipo de actividades se van a realizar por parte del
operador y cuáles serán los datos que se van a medir. Para el caso del control
longitudinal tenemos dos entradas y dos salidas. La primer entrada es accionar el
acelerador y su respectiva salida es la variación de la potencia del motor. La
segunda entrada es modificar el ángulo del elevador y su respectiva salida será la
variación en el ángulo del elevador.
Con esta información básica podemos definir el principio de operación del
controlador. El circuito será capaz de activar las dos entradas de forma
independiente una de otra, de medir cada una de las salidas que el sistema de
como resultado de la manipulación de las entradas y de transmitir los datos a una
computadora para su posterior análisis.
Con esto podemos definir que componentes se necesitan acoplar al circuito para
poder controlar las entradas y medir las salidas de las dos variables.
Se necesita un actuador que controle la aceleración del motor. Para el
caso del trabajo se puede utilizar un potenciómetro que tome el lugar del
acelerador para realizar esta acción.
Se necesita un sensor que nos permita medir la potencia del motor. Para el
caso de la práctica se utilizara un sensor de efecto hall para medir lar RPM
del motor y convertirlas a potencia efectiva.
Se necesita un actuador que nos permita mover el elevador. Para el caso
de la práctica se puede utilizar un potenciómetro que tome el lugar del
mando del elevador.
Se necesita un sensor que nos indique cual es la variación del ángulo del
elevador. Para el caso del banco de pruebas utilizaremos otro
potenciómetro que nos mida el ángulo.
Se necesita un sistema para enviar los datos a una computadora para
analizar las señales. Podemos utilizar una conexión USB conectada al
circuito que nos sirva para comunicarnos con la computadora.
DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE
PRESENTA: Alejandro Espinosa 105
PROGRAMA DEL MICROCONTROLADOR
Reloj del sistema
La ALU, bus de datos y periféricos trabajan con un reloj base. Se puede configurar
un reloj digital externo, por cristal de cuarzo o el uso del reloj interno basado en
resistencia-capacitor. La configuración del reloj se hace al momento de la
programación física del sistema y no se puede cambiar mediante software.
Adicionalmente se puede configurar un retraso del inicio del programa del
microcontrolador. Se usa principalmente para esperar la estabilización de la línea
de alimentación luego del encendido o reinicio. Es configurable entre 4 ciclos de
reloj, 64ms o sin retraso.
Se usará el reloj interno a 4MHz, ya que permite comunicación más fiable y provee
una base de tiempo flexible para periféricos. Se usará un retraso de 64ms para
compensar las irregularidades de la línea ocasionadas por el arranque de los
motores y la carga de los capacitores tanque del transceptor de comunicaciones.
Configuración de Puertos Entrada-Salida
El ATmega8535 posee 4 puertos digitales de 8 bits nombrados A, B, C, D. Cada
bit puede ser configurado individualmente como entrada o salida. Los registros
DDRA, DDRB, DDRC, DDRD son posiciones fijas de la memoria del
microcontrolador que controlan la dirección de los datos de cada uno de los
puertos.
Escribir un “1” en un bit del registro DDRx convertirá al bit físico correspondiente
como bit de salida, mientras que un “0” lo convertirá en entrada.
De tal modo la expresión DDRA=0b00001110 Convertirá los bits 7, 6, 5, 4, 0 en
entradas y los bits 3, 2, 1 en salidas.
Para dar salida de datos a través de un puerto digital, se usa el registro PORTx.
De modo que la expresión PORTA=0b11111111 forzará al puerto A a poner en “1”
DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE
PRESENTA: Alejandro Espinosa 106
lógico todos los bits del puerto si el puerto completo fue previamente configurado
como salida.
Para realizar una lectura de en un puerto digital, se usa el registro PINx. Éste
registro es de sólo lectura y mantiene una copia de los datos presentes en el
puerto. Si un bit del puerto está configurado como salida, es posible leer el dato
que está saliendo en la posición del bit dentro del registro PINx.
AVR-Adquisición de Datos Analógicos desde
Potenciómetro.
El microcontrolador ATmega8535 posee un convertidor analógico-digital de 10 bits.
Posee un multiplexor a la entrada de tal forma que se pueden leer
secuencialmente 8 canales analógicos a través de cada pin del puerto A que
deben estar configurados como entrada.
La referencia superior del ADC se puede configurar como la tensión de
alimentación, referencia fija de 2.7V o un valor de tensión externo a través del pin
Vref. La referencia inferior es 0V o GND.
El ADC puede configurarse para realizar una sola muestra o para tomar muestras
de manera independiente. Es posible avisar al programa principal la finalización de
una conversión mediante una interrupción. El tiempo promedio de una conversión
es de 25 ciclos de reloj propio del ADC. El reloj del ADC toma la frecuencia base
del reloj del sistema y la divide por un preescaler configurable en 2, 4, 8, 32, 64 y
128.
La adquisición de valores analógicos se puede realizar mediante las librerías del
software compilador:
ADC_Init(); //Inicializa el ADC
ADC_Get_Sample(channel); // Toma una muestra analógica del canal
especificado en channel
Las muestras tomadas de los tres potenciómetros serán tratadas para el
movimiento de los motores descrito más adelante.
DISEÑO CONCEPTUAL E IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CONTROL LONGITUDINAL PARA UNA AERONAVE
PRESENTA: Alejandro Espinosa 107
AVR-Tacómetro
El periférico Timer/Counter0 es un módulo de conteo multipropósito de 8 bits. Sus
modos de configuración lo convierten en una herramienta versátil que puede
generar formas de onda, control PWM y conteo de tiempos y frecuencias de
eventos externos e internos.
El microcontrolador aparte posee modos de interrupción externa configurables.
Éstos modos de interrupción detienen el programa principal para que el CPU
atienda una tarea de mayor prioridad y de tiempo de ejecución relativamente
menor.
La combinación de Timer/Counter0 e interrupción externa 1 proveen las
herramientas necesarias para la medición de revoluciones por unidad de tiempo.
El timer contará lapsos con tiempo preestablecido hasta que la interrupción
proveniente del sensor en el eje de rotación sea ejecutada. Se tomarán los
conteos y se enviarán a la computadora de escritorio que tendrá la tarea de
convertirlos a tiempo entre ciclos y posteriormente a frecuencia. Cuando el conteo
del timer llega hasta el máximo permitido (255), reinicia y continúa contando desde
cero. Éste evento puede monitorearse por medio de una interrupción interna.
Para éste propósito el timer será configurado con las siguientes características:
Modo de conteo estándar (conteo de tiempo en base al reloj interno)
Preescaler de tiempo de 128. Permite una resolución de 0.032ms. Dado
que los valores de velocidad del motor están entre 20ms y 3ms, el rango de
conteos necesarios va desde 104 a 781 (ver tabla preescales_tacómetro).
Como el conteo del periodo más bajo sobrepasa el máximo valor del
contador, se usará una variable auxiliar que contará el número de
sobreflujos producidos entre ciclos. Esto ampliará las frecuencias bajas
detectables hasta 7.62Hz
Llamada de interrupción para sobreflujo del contador.
Para la interrupción proveniente del sensor se usa:
Detección de flanco de subida
Entrada externa
Prioridad máxima
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 108
AVR-Control de Servo PWM
Adicionalmente al Timer/counter0, el ATmega8535 posee un módulo
Timer/counter1 de 16 bits. Se puede configurar como generador de pulsos PWM
de frecuencia fija y ciclo de trabajo variable. En éste modo, el timer/counter1
realiza un conteo en base al reloj del sistema, reflejado en el registro TCNT1. El
valor en TNCT1 es comparado con el valor contenido en el registro ICR1. Cuando
el valor de TCNT1 alcanza el de ICR1, TNCT reinicia el conteo desde cero. Se
puede buscar un valor de ICR1 tal que el registro TCNT1 se reinicie cada 20ms
aproximadamente, frecuencia base requerida por el servomotor.
Adicionalmente se puede controlar dos salidas del microcontrolador (OC1A, OC1B) de tal manera que desde TCNT1=0 hasta un valor guardado en el registro OCR1A (y OCR1B) la salida sea “0” y a partir de TCNT1=OCR1A hasta TCNT=ICR1 la salida sea “1” De ésta forma se puede generar una onda cuadrada de pulso variable cuando se cambia el valor de OCR1A o OCR1B. La descripción detallada se encuentra en la sección 16-bitTimer/Counter1-> Modes of Operation-> Fast PWM Mode de la hoja de datos del microcontrolador. En timer/counter1 se configurará de la siguiente manera de acuerdo a la tabla cálculos_preescaler:
Preescaler=1 para el reloj del sistema a 4MHz;
ICR1=40000 (fijo). Proveerá periodos de 20ms
Con estas configuraciones, para alcanzar los ciclos de trabajo máximos y mínimos
del servo se requieren conteos entre 1600 (para 0.6ms o 0° en el eje) y 4400 (para
2.4ms o 180° en el eje) el valor intermedio deseado se puede obtener con una
relación lineal y escribiendo el resultado en OCR1A para el servo 1 y OCR1B para
el servo 2.
Dado que el control de los servos se hará desde los potenciómetros conectados a
los canales analógicos, se requiere establecer la relación entre el rango de valores
entregados por el potenciómetro y los valores requeridos para controlar los servos.
Potenciómetro (%)
Tensión entrante (V)
Valor leído por ADC
Duty cycle (ms)
Valor requerido en
OCR1x
Ángulo del eje (°)
Máximo 0 0 0 0.6 1600 0
Mínimo 100 5 1024 2.4 4000 180
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Todas las relaciones de la tabla son lineales y correspondientes entre sí. El
microcontrolador desconoce las magnitudes físicas pero tiene acceso al valor
convertido por el ADC y al registro OCR1x así que la relación se hará entre dichos
valores.
El código escrito en C será de la forma genérica:
OCR1x=ADC_Get_Sample(n)*2.734375+1600;
AVR-Comunicación UART
El microcontrolador posee un periférico de comunicación asíncrona conocido
como UART. Mediante un transceptor de línea se puede adecuar la señal a
niveles aceptados por el estándar RS-232, usado como puerto serie en las
computadoras de escritorio. Los valores a enviar deben ser de codificación sencilla
y compacta. Por tanto serán:
Valor del servo 1 (0 a 1024)
Valor del servo 2 (0 a 1024)
Valor del servo 3 (0 a 1024)
Conteo de tacómetro (0 a 16384)
Identificador de contenido del mensaje
Todos los valores a enviar pueden ser contenidos en una palabra de 16 bits junto
con su identificador. De tal manera, el mensaje tendrá la siguiente estructura:
Bit # 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
ID Valor
Donde ID:
(Bit 15) (Bit 14) Valor esperado
0 0 Valor de servo 1
0 1 Valor de servo 2
1 0 Valor de servo 3
1 1 Conteo de tacómetro
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 110
Los valores serán recibidos por la computadora de escritorio para ser procesados
e interpretados como variables físicas reales.
Las configuraciones del periférico UART deben coincidir con las de la
computadora de escritorio. Por tanto las configuraciones de ambos serán:
250kbaud
1 bit de paro
Sin bit de paridad
Sin control de flujo
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 111
PROGRAMA DE LA COMPUTADORA
Para adquirir los datos que envía el microcontrolador se necesita utilizar un
software que reciba los datos, los interprete y los muestre al operador para su
análisis.
Los programas que permiten hacer este tipo de trabajo en la computadora se
conocen como software matemáticos. Un software matemático es aquel que se
utiliza para realizar, apoyar o ilustrar problemas matemáticos; entre este tipo de
software se encuentran los sistemas algebraicos computacionales y graficado res
de funciones, entre otros.
FIGURA 76. SE MUESTRA LA PANTALLA DE UN SOFTWARE MATEMATICO
MATLAB
MATLAB proviene de la abreviatura de MATrix LABoratory. Es un software
matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado(IDE) con un lenguaje de
programación propio (lenguaje M). MATLAB es un programa de cálculo numérico
orientado a matrices. Por tanto, será más eficiente si se diseñan los algoritmos en
términos de matrices y vectores.
Entre sus prestaciones básicas se hallan: la manipulación de matrices, la
representación de datos y funciones, la implementación de algoritmos, la creación
de interfaces de usuario (GUI) y la comunicación con programas en otros
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 112
lenguajes y con otros dispositivos hardware. El paquete MATLAB dispone de dos
herramientas adicionales que expanden sus prestaciones, a saber, Simulink
(plataforma de simulación multidominio) y GUIDE (editor de interfaces de usuario -
GUI).
Es un software muy usado en universidades y centros de investigación y
desarrollo.
Programa de Control
Como se definió anteriormente se utilizara la computadora para realizar la
adquisición de datos, la transformación de las señales del microcontrolador a una
escala que se pueda analizar y se encargara de mostrar los datos a usuario.
Por este motivo se realizó un programa en MATLAB que pudiera realizar las
funciones que se requieren para obtener los resultados de forma analizable.
El programa escrito consta de cuatro actividades principales:
La primera acción del programa es definir el tiempo de análisis del sistema.
Esto quiere decir que el operador definirá el tiempo en el cual el programa
capturara datos del banco de pruebas.
La segunda actividad es sincronizar la comunicación con el
microcontrolador con la computadora. Esto quiere decir que se comunicara
con el puerto de la computadora y dará acceso a la información que
proporcione el microcontrolador.
La tercera actividad es la captura de los datos.
La cuarta acción es realizar las operaciones necesarias para transformar
los datos que proporcione el microcontrolador a datos que pueda analizar el
operador del sistema.
La quinta y última acción es la de mostrar al operador los datos ya
transformados para su análisis. En el caso de este trabajo el sistema
despliega una serie de graficas que describen el comportamiento físico de
los sistemas del banco de pruebas.
clear all; close all; clc;
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 113
tiempo_muestreo=input('Indique tiempo de muestreo en segundos: '); clc; número_muestras=ceil(tiempo_muestreo/0.015); fprintf('Tiempo: %d segundos. \nNúmero de muestras: %d\n',tiempo_muestreo,número_muestras); %Inicializa comunicación serie s = serial('COM4'); %El número seguido de COM debe equivaler al puerto serie usado set(s, 'BaudRate', 57600); set(s, 'DataBits', 8); set(s, 'Parity','none'); set(s, 'StopBits', 1); set(s, 'FlowControl', 'none'); set(s,'timeout',60); set(s,'InputBufferSize',16000); set(s,'Terminator',13); fopen(s); fprintf('\nPuerto abierto. Esperando sincronización desde banco de pruebas...'); a=fgetl(s); while strcmp(a,'Init')==0 a=fgetl(s); end fprintf('\n\nCapturando...'); velocidad=zeros(1,numero_muestras); elevador=zeros(1,numero_muestras); retroalimentación=zeros(1,numero_muestras); tacómetro=zeros(1,numero_muestras); t=1:1:numero_muestras; t=t*0.015; for i=1:1:numero_muestras for j=1:4 a=fgetl(s); if strcmp(a,'V') velocidad(i)=str2num(fgetl(s)); elseif strcmp(a,'E') elevador(i)=str2num(fgetl(s)); elseif strcmp(a,'R') retroalimentación(i)=str2num(fgetl(s));
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DISEÑO DEL CIRCUITO
Después de considerar todos los componentes que va a actuar en el sistema es
hora de diseñar el circuito de control en un microcontrolador.
Para diseñar el circuito que controlara el banco de pruebas primero se tiene que
conocer de manera correcta el comportamiento del microcontrolador que se va a
utilizar, cuales son las terminales adecuadas para conectar cada uno de los
componentes y que componentes se van a utilizar en el circuito. Con las
siguientes consideraciones se puede definir el circuito que controlara el sistema de
manera efectiva.
Como se definió anteriormente se utilizara un microcontrolador ATMEGA8535.
FUGURA 77. MUESTRA EL DIAGRAMA DE TERMINALES DEL MICROCONTROLADOR
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 116
Los primeros componentes que vamos a considerar son los potenciómetros, como
se dijo anteriormente utilizaremos el primero como actuador del motor, el segundo
como el actuador del elevador y el tercero como el sensor del elevador.
Como se van a utilizar potenciómetros y estos proporcionan una señal analógica
vamos a tomar tres de las salidas del microcontrolador que tienen una función de
convertidor analógico digital para poder convertir la señal analógica de los
potenciómetros a señal digital que lee el microcontrolador.
FIGURA 78. SE MUESTRAN LOS PUERTOS A QUE SON LAS ENCARGADOS DE RECIBIR LAS SEÑALES ANALOGICAS DEL SISTEMA
Las terminales mostradas son las encargadas de conectar los potenciómetros.
Los segundos componentes considerados son los servomotores, utilizaremos un
como actuador del acelerador del motor y el segundo para actuador del elevador.
Las terminales adecuadas para conectar los potenciómetros son las de salida por
comparación del timer 1 que son capaces de generar señales de control en PWM.
En este caso serán las terminales PD4 y PD5 del microcontrolador.
FIGURA 79. SE MUESTRAN LOS PUERTOS I/O BIDIRECCIONAL DE 8 BITS ENCARGADOS DE CONECTAR LOS SERVOMOTORES
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 117
El sensor de efecto Hall estará conectado al puerto PD3 con función de
interrupción externa que permite al microcontrolador tonar una lectura precisa de
la velocidad generada por el motor.
FIGURA 80. SE MUESTRA EL PUERTO I/O BIDIRECCIONAL DE 8 BITS ENCARGADO DE CONECTAR EL SENSOR DE EFECTO HALL
Adicionalmente se utilizaran dos puertos para la comunicación del
microcontrolador, los puestos seleccionados serán el PD0 y el PD1 que irán
conectados al integrado MAX232 el cual se encargara de acondicionar la señal
para obtener compatibilidad con el puerto serie estándar de una PC.
FIGURA 81. SE MUESTRAN LOS PUERTOS I/O BIDIRECCIONALES DE 8 BITS ENCARGADOS DE CONECTAR EL MICROCONTROLADOR CON EL
ACOPLADOR A LA PC
También se agregaron tres leds sin función definida que se utilizaran para detectar
errores en el programa y posteriormente para ser utilizados como algún indicador.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 118
FIGURA 82. SE MUESTRAN LOS PUERTOS I/O BIDIRECCIONALES DE 8 BITS
QUE CONECTAN A TRES LEDS QUE SIRVEN DE INDICADORES
Se agregara un capacitor de 100mF en paralelo a la fuente para evitar picos de
tensión o tensiones bajas, así como de uno de 100µF para filtrar el ruido.
FIGURA 83. SE MUESTRA EL CIRCUITO DE PROTECCIÓN DEL
MICROCONTROLADOR
Por último se agregó un puerto de programación para hacer cambios en el
programa sobre la marcha.
Al final después de conectar todos los componentes pensados tendremos como
resultado un circuito complejo capaz de accionar los actuadores, censar las
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 119
salidas que proporcione el banco y de enviar la información a una computadora
para su análisis.
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120
FIGURA 84. SE MUESTRA EL DIAGRAMA GENERAL DEL MICROCONTROLADOR
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121
SENSOR DE POSICIÓN ANGULAR
Como ya sabemos un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es
variable y que de esta manera se puede controlar la diferencia de potencial o la
corriente de un circuito.
Sabiendo esta condición podemos utilizar un simple potenciómetro como un
sensor de posición angular.
FIGURA 85. SE MUESTRA UN POTENCIÓMETRO
COMO SENSOR DE POSICIÓN ANGULAR
El principio de operación es muy básico; se define un voltaje de referencia y se
establece una posición del potenciómetro a ese voltaje, ahora dependiendo del
ángulo de giro que se le dé al potenciómetro el voltaje puede aumentar o disminuir
de manera proporcional.
El comportamiento de este sensor es lineal, es decir el voltaje de salida depende
directamente del ángulo al que se encuentre el potenciómetro.
En la gráfica la línea roja representa el voltaje de referencia, en este caso el valor
a cero grados (0°) es de 2.5 volts. La línea azul muestra el comportamiento del
potenciómetro, a noventa grados negativos el valor es cero y a noventa grados
positivos el valor que se tiene es doble del voltaje de referencia. Como se observa
en la gráfica a cada valor del ángulo corresponde a un voltaje diferente, esta
variación de voltaje se puede interpretar como una posición angular determinada.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 122
FIGURA 86. SE MUESTRA UN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN POTENCIÓMETRO COMO SENSOR
Colocaremos un potenciómetro en la articulación que permitirá girar a los
elevadores. Al accionar los elevadores el potenciómetro girará un cierto ángulo
aumentando o disminuyendo el voltaje en el circuito, esta variación de voltaje la
interpretara el microcontrolador como una variación angular, conociendo así la
posición en cada instante del elevador.
El circuito que utilizamos para desarrollar el sensor es:
FIGURA 87. DIAGRAMA DEL SENSOR ANGULAR POR MEDIO DE UN
POTENCIÓMETRO
0
1
2
3
4
5
6
-100 -50 0 50 100
Vo
ltaj
e
Angulo
V vs θ
0 - 5 V
5 V
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SENSOR DE REVOLUCIONES
Como ya se dijo anteriormente se utilizará un sensor de efecto Hall para medir las
revoluciones que nos da el motor. Utilizaremos la misma aplicación que la del
contador desarrollado en la ESIME Ticomán.
El circuito que utilizamos es el siguiente:
FIGURA 88. DIAGRAMA DEL SENSOR DE EFECTO HALL COMO CONTADOR
Se dice que este sensor es de tipo digital, ya que como respuesta genera pulsos
conocidos en electrónica como ceros y unos. Estos pulsos se generan cada vez
que pase un imán colocado en una de las palas del motor frente a nuestro sensor.
Aplicación
Utilizaremos este sensor como un contador para determinar las rpm a las que gira
el eje del motor, y con ese dato poder determinar la potencia del motor.
Colocaremos este sensor cerca de la flecha y un pequeño imán en una de las
palas de la hélice propulsora del aeronave.
20
0 Ω
Ω 10
KΩ
LED
DN6851
5 V
5 V 5 V
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 124
Ejemplo
Dentro de las instalaciones de la ESIME Ticomán se desarrolló un contador que
funciona utilizando un sensor de efecto Hall. Este contador se instalará en la
biblioteca de la escuela y servirá para indicar el número de alumnos que entren en
ella.
El principio de funcionamiento es muy básico. Acercaremos un imán cerca del
sensor de efecto Hall, este como respuesta envía un pulso de voltaje, este pulso lo
recibirá un micro controlador que se interpreta el aumento de voltaje como un 1 y
lo manda al display, el cual nos muestra la cantidad de veces que se acerca el
imán al sensor.
FIGURA 89. PODEMOS OBSERVAR EL CONTADOR DESARROLLADO PARA LA BIBLIOTECA DE LA ESIME TICOMÁN
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 125
FABRICACIÓN DEL CIRCUTO DIGITAL
Después de haberse diseñado el circuito con el que va a trabajar el banco de
pruebas para medir las revoluciones y el ángulo de ataque se va a disponer a
fabricar la placa que contendrá el mismo.
En la siguiente sección se describirá el proceso con detalle de cómo se fabricó el
circuito físicamente y como se implementó en el banco de pruebas.
Procedimiento
一. El primer paso es imprimir el diagrama obtenido de nuestro análisis en una
hoja satinada con impresión láser. Es muy importante que se realice en
impresión láser, ya que este proceso de impresión, al atraer el tóner al
papel por un proceso de ionización y fijarlo por un proceso de calor y
presión permite que el tóner se adhiera a la placa fenólica revirtiendo el
proceso.
FIGURA 90.SE MUESTRA LA IMPRESIÓN DEL CIRCUITO EN UNA HOJA SATINADA CON IMPRESIÓN LASER.
二. El segundo paso es literalmente planchar el circuito impreso que se
imprimió en papel sobre una placa fenólica. Como se explico en paso
anterior se revertirá el proceso de adhesión del tóner al papel y se pasara a
la impresión a la placa fenólica.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 126
FIGURA 91 SE MUESTRA EL PROCESO DE
ADHESION DEL TÓNER A LA PLACA FENÓLICA
三. Como tercer paso es quitar con agua el papel planchado de la placa
fenólica. Ve remojara el papel para poderlo quitar de la placa, quedando
como resultado la placa con la impresión adherida a la misma (siguiendo el
mismo principio de una impresión láser).
FIGURA 92. SE MUESTRA EL CIRCUITO QUE SE VA A TRABAJAR EN LA PLACA FENÓLICA
四. Como cuarto paso se va a sumergir la placa fenólica en cloruro férrico. El
proceso se acelera al utilizar agua caliente mezclada con el cloruro, de
hecho se puede percibir la acción del cloruro sobre la placa, ya que se
presenta calentamiento y la reacción se ve a simple vista.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 127
FIGURA 93. SE MUESTRA LA PLACA FENÓLICA SUMERGIDA EN ACIDO
Al quitar la placa fenólica del ácido, después de unos minutos sumergida en
la solución la placa fenólica se ve libre de metal en las partes donde no fue
adherido el papel a la placa.
五. El quinto paso es remover el tóner de la placa fenólica. Esto se realiza
puliendo la placa para quitar el tóner adherido a la placa y dejar el cobre al
descubierto.
FIGURA 94. SE MUESTRA LA PLACA DESPUES DEL PROCESO PARA ELIMINAR EL COBRE Y CREAR LAS PISTAS DEL CIRCUITO
六. El sexto paso es perforar la placa para poder colocar los componentes que
se van a colocar para crear el circuito de control que se diseñó.
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FIGURA 95. SE MUESTRA EL PROCESO DE BARRENADO EN LA PLACA FENÓLICA
七. Con los componentes electrónicos instalados en la placa, el siguiente paso
es soldar todos los componentes electrónicos a la placa.
FIGURA 96. SE MUESTRA EL PROCESO DE SOLDADURA DE LOS COMPONENTES ELECTRONICOS A LA PLACA FENÓLICA
Después de soldar todos los componentes a la placa el resultado es el
siguiente:
FIGURA 97.SE MUESTRA LA PLACA TERMINADA CON TODOS SUS COMPONENTES INSTALADOS
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 129
八. El último paso es probar la placa para verificar el correcto funcionamiento
de la misma. Para este paso se utilizará un multímetro convencional pare
verificar la conductividad entre todos los componentes electrónicos,
verificando que haya conductividad en donde se necesario, que no existan
fallas en la soldadura provocando puentes entre componentes y verificando
el funcionamiento de los componentes.
FIGURA 98. SE MUESTRA EL PROCESO DE VERIFICACIÓN DE LA PLACA
Adaptación del Circuito en el Banco de Pruebas
Se adaptara el circuito al banco de pruebas y se conectaran todos los dispositivos
que consideramos:
Servomotores
Sensor Angular (Potenciómetro)
Sensor de Velocidad (Efecto Hall)
Potenciómetros
Placa con Circuito
Elevador
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 130
Motor de Radiocontrol
FIGURA 99. SE MUESTRA EL PROCESO DE INSTALACION DE LOS ACTUADORES, EL CIRCUITO DE CONTROL, LAS SUPERFICIES DE CONTROL Y EL MOTOR DE COMBUSTIÓN
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 131
CAPÍTULO VII – PRUEBAS Y
ADQUISICIÓN DE DATOS
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 132
CONFIGURAR BANCO DE PRUEBAS
Justo después de fabricar el banco de pruebas es necesario ponerlo en marcha
para realizar el análisis.
Se definirán los parámetros para realizar las pruebas respectivas.
Definir el Tipo de Pruebas.
El tiempo de duración de la toma de datos será de mínimo 5 segundos por prueba.
Se planea realizar una serie de pruebas que cumplan con este requisito para
realizar el estudio del sistema. Cada una de las pruebas que se realiza tendrá una
variación en los parámetros de estudio, por ejemplo tiempo de captura de datos,
diferencias en la velocidad del motor o diferencias en la señal de entrada.
Definir la Cantidad de Muestras (Muestreo).
Se escogerán tres muestras representativas para definir y analizar el
comportamiento del sistema.
Al elegir una muestra se espera conseguir que sus propiedades sean similares a
la del conjunto de todas las pruebas. Este proceso permite obtener resultados
parecidos a los que se alcanzarían si se realizase un estudio completo del sistema.
Cabe mencionar que para que el muestreo sea válido y se pueda realizar un
estudio adecuado (que consienta no solo hacer estimaciones del sistema sino
estimar también los márgenes de error correspondientes a dichas estimaciones),
debe cumplir ciertos requisitos. Nunca podremos estar enteramente seguros de
que el resultado sea una muestra representativa, pero sí podemos actuar de
manera que esta condición se alcance con una probabilidad alta.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 133
Set Up del Banco
Sujetar el banco de pruebas a una mesa de trabajo habilitada.
Encender el motor de aeromodelismo y dejarlo encendido a una velocidad
constante.
Realizar las pruebas y hacer una comparativa del comportamiento entre las
diferentes muestras
Los datos que se van a obtener son graficas que relacionan la entrada con la
salida del sistema.
FIGURA 100.SE MUESTRA EL SET UP DEL BANCO DE PRUEBAS EN UNA MESA DEL
LABORATORIO DE ELECTRICA ELECTRONICA DE LA ESIME TICOMAN
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 134
ADQUISICIÓN DE DATOS
La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras
del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser
manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en
tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y
digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora. Se requiere
una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el
elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha
transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos
(DAQ). En el caso de este trabajo se utilizó una conexión directa del
microcontrolador a la computadora por medio de un cable serial.
FIGURA 101. ADQUISICION DA DATOS ANALOGICOS
Dato - Representación simbólica (numérica, alfabética...), atributo o característica
de un valor. No tiene sentido en sí mismo, pero convenientemente tratado
(procesado) se puede utilizar en la relación de cálculos o toma de decisiones.
Adquisición - Recogida de un conjunto de variables físicas, conversión en voltaje
y digitalización de manera que se puedan procesar en un ordenador.
Sistema - Conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre sí ofreciendo
prestaciones más completas y de más alto nivel. Una vez que las señales
eléctricas se transformaron en digitales, se envían a la memoria del PC. Una vez
los datos están en memoria pueden procesarse con una aplicación adecuada,
archivarlas en el disco duro, visualizarlas en la pantalla, etc...
Rango - Valores máximo y mínimo entre los que el sensor, instrumento o
dispositivo funcionan bajo unas especificaciones.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 135
FIGURA 102. SE MUESTRA LA PUESTA EN MARCHA DEL BANCO DE PRUBAS
En la figura se muestra las pruebas en la ESIME Ticomán con los alumnos del
último semestre de la Ingeniería en Aeronáutica en el laboratorio de eléctrica
electrónica.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 136
GENERACIÓN DE GRÁFICAS
Control del Elevador
En la gráfica se muestra la entrada y la salida del sistema después de realizar la
primera prueba del sistema.
En la primera grafica se muestran los datos de entrada, se muestra la relación
entre el porcentaje de apertura del potenciómetro a través del tiempo analizado.
La segunda grafica nos muestra los datos de salida del sistema, se muestra la
variación del ángulo a través del tiempo de análisis.
Al comparar las dos señales generadas por el sistema se puede generar un
análisis de entrada contra respuesta del movimiento del elevador.
Control de la Potencia del Motor
En l grafica se muestra la entrada y la salida del sistema después de realizar la
primera prueba del sistema.
En la primera grafica se muestran los datos de entrada, se muestra la relación
entre el porcentaje de apertura del potenciómetro a través del tiempo analizado.
La segunda grafica nos muestra los datos de salida del sistema, se muestra la
variación de las RPMs en el tiempo de análisis.
Al comparar las dos señales generadas por el sistema se puede generar un
análisis de entrada contra respuesta del comportamiento del Motor.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 137
PRUEBA 1
Para obtener la primera muestra se consideró un tiempo de análisis de 10
segundos, en él se realizaron pruebas en ambos sistemas del banco de pruebas
generando las siguientes gráficas.
FIGURA 103. LAS GRÁFICAS MUESTRAN LA RELACION ENTRE LA ENTRADA Y LA SALIDA DEL SISTEMA DEL ELEVADOR
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 138
FIGURA 104. LAS GRÁFICAS MUESTRAN LA RELACION ENTRE LA ENTRADA Y LA SALIDA DEL SISTEMA DEL MOTOR
La entrada en ambos sistemas es el porcentaje del 0% al 100% del giro del
potenciómetro en relación con el tiempo de análisis.
La salida en el caso del elevador es la variación en grados del elevador. En el
caso del motor muestra las RPMs a la que gira el eje.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 139
PRUEBA 2
Para obtener la segunda muestra se consideró un tiempo de análisis de 20
segundos, con el propósito de tomar más datos por análisis, de la misma forma
que en la prueba 1 se registró la gráfica de ambos sistemas.
FIGURA 105. LAS GRÁFICAS MUESTRAN LOS RESULTADOS DE LA SEGUNDA PRUEBA AL SISTEMA DEL ELVADOR
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 140
FIGURA 106. LAS GRÁFICAS MUESTRAN LOS RESULTADOS DE LA SEGUNDA PRUEBA AL SISTEMA DEL MOTOR
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 141
PRUEBA 3
En la tercera muestra se consideró un tiempo de análisis de 5 segundos, con el
propósito de analizar de forma más detallada el comportamiento de los sistemas
considerando fracciones de segundo, de igual forma que las pruebas pasadas se
generaron graficas separadas de cada uno de los sistemas.
FIGURA 107. LAS GRÁFICAS MUESTRAN LOS RESULTADOS DE LA TERCERA PRUEBA AL SISTEMA DEL ELVADOR
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 142
FIGURA 108. LAS GRÁFICAS MUESTRAN LOS RESULTADOS DE LA TERCERA PRUEBA AL SISTEMA DEL MOTOR
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143
CAPÍTULO VII – ANÁLISIS DE
LAS SEÑALES
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CONTROL DE LAZO ABIERTO
En el lazo abierto se tuvieron dos potenciómetros, cada uno de los potenciómetros
es el mando de los dos sistemas que tenemos, del sistema del elevador y el
sistema de potencia.
Los potenciómetros son las entradas de unos PWM que tienen como función la de
activar a los servomotores encargados de controlar el ángulo del elevador y de
controlar la potencia del motor por medio del acelerador.
Este tipo de control no nos permite visualizar ni medir el comportamiento del
sistema a través del tiempo, solamente conocemos que la salida cambia en
relación con el comando de entrada. Como el operador debe controlar el sistema
por medio de la señal de entrada la respuesta depende solamente de la
sensibilidad que tenga el operador para controlar la entrada.
FIGURA 109. SE MUESTRA EL COMPORTAMIENTO DEL PWM ENCARGADO DE ACCIONAR LOS SERVOMOTORES EN EL SISTEMA
LINEAL
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 145
CONTROL POR COMPUTADORA
En el lazo cerrado se utilizó el microcontrolador en vez de los PWM analógico para
controlar a los servomotores, la gran diferencia de este sistema comparado con el
de lazo abierto es que en el mismo microcontrolador tenemos conectados una
serie de sensores encargados de medir la variación que existe en los dos sistemas
a controlar.
El primero que se describe es el potenciómetro, se coloca un potenciómetro en el
eje de rotación del elevador, este giraba la misma proporción que lo hacia el
elevador, dando un voltaje diferente a cada ángulo al que gira el elevador. Con
estos datos se puede deducir fácilmente la posición del elevador en tiempo real.
El segundo sensor es un sensor de revoluciones encargado de medir las RPM del
motor, este funciona gracias al efecto hall. Se colocó un imán en una de las palas
de nuestro motor, el sensor de efecto hall tiene como finalidad detectar por medios
magnéticos el imán cada vez que pasa frente a él, el microcontrolador toma cada
una de esas pulsaciones y las envía a la computadora.
Además el microcontrolador permite realizar más de una función del sistema al
mismo tiempo. En el caso del trabajo el microcontrolador nos daba la señal para
mover los servomotores, recibía la señal de los sensores y la enviaba a la
computadora para su análisis.
Gracias a la ayuda del microcontrolador se pudo desarrollar un sistema en el cual
se controlaba la entrada, se medía la salida y se enviaban los datos a una
computadora para ser analizados.
FIGURA 110 SE MUESTRAN LAS GRÁFICAS RESULTANTES DESPUES DE UNA PRUEBA DEL SISTEMA JUNTO CON LOS ALUMNOS DE LA
ESIME TICOMÁN
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 146
En la computadora utilizando Matlab se realizó la transformación de datos de
microcontrolador por medio de un programa que se encargaba de convertir los
datos del microcontrolador a datos comparables y medibles por medio de una
serie de graficas que nos muestran el comportamiento del sistema en tiempo real.
Con las gráficas proporcionadas se pudo hacer un análisis del comportamiento del
banco de pruebas.
La primera grafica nuestra el comportamiento del elevador, la gráfica muestra el
movimiento que realizo el elevador en un tiempo determinado.
La segunda grafica muestra el comportamiento del motor de radiocontrol, esta
grafica nos muestra la variación de las revoluciones del motor.
Control del Elevador
Para analizar las señales obtenidas del Control del Elevador es necesario tomar
una pequeña sección para realizar un análisis.
FIGURA 111. SE MUESTRA UNA PEQUEÑA SECCION DELAS GRÁFICAS QUE SE OBTIVIERON DE ENTRADA Y SALIDA DEL CONTROL DEL ELEVADOR
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 147
Además de analizar una pequeña sección también es necesario analizar una
prueba completa para incluir el comportamiento a través del tiempo.
FIGURA 112. SE MUESTRA LA SECCION COMPLETA DE LAS GRÁFICAS QUE SE
OBTIVIERON DE ENTRADA Y SALIDA DEL CONTROL DEL ELEVADOR
Al analizar las señales y los datos generados por el sistema se pueden presentar
los siguientes puntos:
La respuesta del sistema es en general rápida, la salida se desfasa
aproximadamente una décima de segundo de la señal de entrada.
La salida muestra el ruido generado por todas las variables externas del
sistema, en esta caso el ruido es muy visible debido a que el sensor se
colocó directamente sobre la estructura del banco de pruebas trasmitiendo
mucha vibración
Se puede considerar que es sistema es estable, ya que su comportamiento
es el esperado en relación con la entrada y este no tiene variables de
consideración que afecten la salida del sistema.
La respuesta del sistema no se degrada con el tiempo, esto quiere decir
que la respuesta se mantiene con la misma intensidad y que no existen
factores externos importantes que modifique la señal.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 148
Control de la Potencia del Motor
De la misma forma que el análisis realizado al elevador primero se analizara una
pequeña fracción de las gráficas resultantes en las pruebas
FIGURA 113. SE MUESTRA UNA PEQUEÑA SECCION DE ANALISIS DE LAS GRÁFICAS OBTENIDAS DEL CONTROL DEL MOTOR. EN
ESTE CASO TAMBIEN SE REPRESENTA UNA ENTRADA DE TIPO ESCALON
De la misma forma se toma en cuenta una gráfica de una prueba completa.
FIGURA 114. SE MUESTRA LA SECCION COMPLETA DE LAS GRÁFICAS DE ENTRADA Y
SALIDA OBTENIDAS DEL CONTROL DEL MOTOR
Al analizar las señales y los datos generados por el sistema se pueden presentar
los siguientes puntos:
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 149
La respuesta del sistema del sistema general es lenta, se muestra que en la
entrada se genera un escalón y en la salida tarda aproximadamente 4
segundos en responder completamente a la señal de entrada.
De la misma forma que en el Control del Elevador se muestra el ruido
generado por el sistema solo que en este caso no es tan visible ya que el
sensor se encontraba fuera de la estructura metálica.
Además se puede observar que se genera una reacción súbita casi al
mismo tiempo que se proporciona el comando representada por un
pequeño pico en la gráfica.
Se cree después de analizar las gráficas que el aumento de la velocidad
súbita se debe a que en la entrada del carburador se genera una entrada
excesiva de aire por un instante la cual hacer que el combustible se queme
con mayor eficiencia dando un salto repentino de velocidad.
El comportamiento del sistema se puede considerar estable, debido a que
alcanza el estado estable, ya que el comportamiento del sistema es muy
parecido al esperado, además se puede observar que no existen variables
significativas en el sistema.
También se puede observar que la velocidad del motor se mantiene sin
variaciones en la misma, esto quiere decir que la vibración u otros factores
externos no afectan a largo plazo la salida del sistema.
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150
CAPÍTULO IX – CONCLUSIONES
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 151
CONTROL EN LAZO ABIERTO VS CONTROL
POR COMPUTADORA
Después de analizar el comportamiento del sistema de lazo abierto se puede
concluir que el método de control es muy efectivo para funciones académicas, ya
que la construcción del sistema de control es muy sencilla y cumple con las
necesidades básicas para el aprendizaje de un estudiante.
Lamentablemente un sistema de control de lazo abierto no sirve para funciones de
análisis de señales. El sistema en lazo abierto fue descartado y reemplazado por
el sistema de control por computadora ya que este último tiene la gran ventaja de
medir las señales de entrada y salida en tiempo real.
Se pudo observar que la salida del sistema controlado en lazo abierto es
prácticamente la misma comparada con el control por computadora excepto por
las siguientes consideraciones:
El sistema era incapaz de medir las señales de entrada y salida.
Solamente se pudo analizar el PWM generado para controlar los servos.
Hablando sobre el control por computadora se puede concluir que este es óptimo
al momento de realizar análisis de señales ya que controla, mide, convierte
muestra y analiza las señales obtenidas en una prueba.
Las desventajas del sistema de control por computadora son
El tiempo que se tarda en generar un sistema que se acople a las
necesidades de control
El costo monetario comparado con el sistema de control en lazo abierto
La complejidad del sistema de control.
Para generar un sistema de control por medio de una computadora se necesita un
experto en electrónica y en computación que genere todos los vínculos de forma
eficiente entre el sistema físico y la computadora.
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 152
CONTROL DEL ELEVADOR
Podemos concluir del Sistema del Elevador que este se comporta de una manera
rápida y lineal, la respuesta del sistema es muy efectiva a la señal de entrada.
También se pudo definir qué tipo de comportamiento muestra este sistema y el
tipo de grafica que lo gobierno cuando se aplica una entrada de tipo escalón
FIGURA 115. SE MUESTRA LA GRÁFICA QUE SE GENERA AL APLICAR UNA ENTRADA DE TIPO ESCALON EN EL SISTEMA DE CONTROL
DEL ELEVADOR, SE PUEDE NOTAR LA RESPUESTA SE GENERA DE FORMA MUY RAPIDA Y ALCANZA SU ESTADO ESTABLE EN FRACCIONES DE SEGUNDO
TIEMPO
Comando Décimo Piso
ENTR
AD
A T
IPO
ESCA
LON
Tiempo que tarda el
elevador en alcanzar
el estado estable
Escalón formado
entre la señal del
potenciómetro y la
respuesta del
elevador
0 seg 1 seg
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 153
CONTROL DE LA POTENCIA DEL MOTOR
Podemos concluir del Sistema de la Potencia del Motor que el tiempo de
respuesta no se genera de forma rápida al compararla con la del elevador y se
genera un poco de vibración en la respuesta del sistema.
Además si se recuerda que la potencia del motor se obtiene de forma lineal de las
revoluciones del motor se puede concluir que las gráficas de potencia tienen la
misma forma que las de revoluciones.
FIGURA 116. SE MUESTRA LA GRÁFICA QUE SE GENERA AL APLICAR UNA ENTRADA DE TIPO ESCALON EN EL SISTEMA DE CONTROL DEL
MOTOR, SE PUEDE NOTAR LA RESPUESTA SE GENERA DE FORMA EN FORMA GRADUAL Y EN UN LAPSO DE TIEMPO MUCHO MAYOR COMPARADO CON EL SISTEMA DEL ELEVADOR. ADEMÁS SE OBSERVA EL AUMENTO SUBITO DE POTENCIA Y EL AUMENTO GRADUAL DE
LA MISMA HASTA ALCANZAR EL ESTADO ESTABLE.
ENTR
AD
A T
IPO
ESCA
LON
Tiempo que tarda el
motor en alcanzar su
estado estable
Vibración formada por
el motor de combustión
Tiempo
Escalón formado
entre la señal del
potenciómetro y la
respuesta motor
de combustión
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PRESENTA: Alejandro Espinosa 154
CONCLUSIONES GENERALES
En general se puede concluir que se lograron los resultados esperados de la tesis
realizada y este proyecto desde todas las perspectivas fue un éxito total.
En términos de los resultados del experimento se pudo observar de una manera
muy clara el comportamiento de los sistemas que componen el banco de pruebas,
se pudo deducir de forma clara las gráficas resultantes y se pudo establecer de
forma práctica el comportamiento real de los sistemas.
Se diseñó un dispositivo que proporciona datos fieles del comportamiento de un
motor y de un elevador de una aeronave. Otro punto muy importante es que se
pudo obtener datos en tiempo real sobre las salidas de los sistemas del motor y
del elevador.
Además se pudo realizar un proceso completo de diseño e implementación de un
proyecto, se realizó desde el diseño conceptual, selección de materiales hasta la
implementación física y mejoras del prototipo, también se realizo toma de
decisiones, lluvia de ideas y resolución de problemas, puntos que en un trabajo
son competencias básicas para un ingeniero.
Se pudo comprobar que el diseño de control es un proyecto multidisciplinario, ya
que se utilizaron conocimientos de diversas áreas de ingeniería para completar el
trabajo. Se necesitaron conocimientos sobre aerodinámica, aeronáutica,
electrónica analógica y digital, computación, manufactura, diseño en software, etc.
Otro punto que se fue satisfactorio fue la presentación del prototipo a los alumnos
de la ESIME Ticomán, se les presento un modelo funcional el cual muestra de
forma clara el principio que hay que seguir para realizar el control de una aeronave.
Se espera que este trabajo sirva dentro de la institución como una base para
continuar con proyectos de la misma índole.
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BIBLIOGRAFÍA
Design and Development of a Low-Cost Test-Bed for undergraduate
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Ed. Pearson
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Análisis de Sistemas Dinámicos y Control Automático
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